燃料电池单元和具有燃料电池单元的车辆的制作方法

本发明涉及一种燃料电池单元以及一种其中安装有燃料电池单元的车辆。

背景技术：

存在一种燃料电池单元，其设置有燃料电池和变换器。燃料电池具有被层叠的多个单电池，并且变换器具有与燃料电池电连接的电抗器以及与电抗器电连接的功率模块的多个组合(日本专利申请公告2014-187831(jp2014-187831a))。例如，燃料电池单元被作为通过电动机驱动而引起其行驶的电驱动的车辆中的电动机驱动电力源中的一个而安装。

技术实现要素：

在jp2014-187831a中所述的燃料电池单元中，在变换器中电抗器和功率模块被排列的方向与在燃料电池中多个单电池被层叠的层叠方向在水平方向上大致正交地相交。在这种燃料电池单元中，存在以下情况，其中单电池的数目改变，以便实现根据燃料电池单元被安装在其上的电驱动车辆类型的输出性能。通常，当输出性能增大时，电抗器和功率模块的数目增大，并且当输出性能降低时，电抗器和功率模块的数目减小。因此，随着输出性能改变，电抗器和功率模块的数目也改变。然而，在这种情况下，有必要对燃料电池单元做出显著的设计改变，因为具有多个单电池的燃料电池的尺寸改变方向和电抗器与功率模块的尺寸改变方向彼此大致正交地相交，并且因而具有彼此不同的尺寸改变方向。本发明提供燃料电池单元和具有燃料电池单元的车辆，本发明能够当设计具有根据电驱动车辆类型的输出性能的燃料电池单元时抑制燃料电池单元的显著设计改变。

可能按以下方面执行本发明。

本发明的第一方面提供燃料电池单元。根据第一方面的燃料电池单元包括燃料电池和变换器。燃料电池包括在给定方向上被层叠的单电池。变换器包括与燃料电池电连接的电抗器、以及与电抗器电连接的功率模块的多个组合。电抗器中的第一电抗器被排列的方向、或功率模块中的第一功率模块被排列的方向上的至少任一个与单电池的层叠方向平行。

根据本发明的该方面，在燃料电池单元中，具有大大影响燃料电池单元的设计的尺寸的电抗器和功率模块中的任何的排列方向可以与单电池在其中被层叠的层叠方向平行。因此，与其中具有大大影响燃料电池单元的设计的尺寸的电抗器和功率模块中的任何的排列方向与单电池在其中被层叠的层叠方向大致正交相交的模式相比，具有多个单电池的燃料电池的尺寸改变方向平行于电抗器和功率模块中的至少一个的尺寸改变方向，意味着尺寸改变方向相同。因此，可能当设计具有根据电驱动车辆类型的输出性能的燃料电池单元时抑制燃料电池单元的显著设计改变。这意味着抑制了由于调节电抗器和功率模块的数目以及单电池的数目引起的燃料电池单元的设计改变复杂化。此外，由于输出性能的增大和减小对应于燃料电池单元的尺寸的增大和减小，所以可能根据输出性能的增大和减小细致地以各种尺寸产生燃料电池单元。

在本发明的第一方面中，燃料电池可以处于变换器在重力方向上的上侧上、或变换器在重力方向上的下侧上。

在本发明的第一方面中，第一电抗器在其中被排列的方向和第一功率模块在其中被排列的方向两者都可以与层叠方向平行。

本发明的第二方面可以提供具有燃料电池单元的车辆。在本发明的第二方面中，燃料电池可以与变换器相邻。

在本发明的第二方面中，燃料电池可以位于变换器在车辆的上下方向上的上侧上，或变换器在车辆的上下方向上的下侧上。

在本发明的第二方面中，层叠方向可以与车辆的车辆宽度方向平行。

根据本发明的该方面，即使当车辆宽度方向上的长度改变时，燃料电池单元的设计也容易改变，使得更易于处理车辆的改型开发。换言之，由于可能根据输出性能的增大和减小而以各种尺寸设计燃料电池单元，所以变得更易于处理车辆的改型开发。

在本发明的第二方面中，层叠方向可以平行于车辆的前后方向。

根据该方面，即使在前后方向上的长度改变的情况下，燃料电池单元的设计也容易改变，使得更易于处理车辆的改型开发。换言之，由于可能根据输出性能的增大和减小而以各种尺寸设计燃料电池单元，所以变得更易于处理车辆的改型开发。

在本发明的第二方面中，在层叠方向上处于最外侧位置的单电池中的一个和在层叠方向上处于最外侧位置的第一电抗器中的一个可以位于与层叠方向垂直的相同平面中。第一电抗器在其中被排列的方向可以平行于层叠方向。可以从在层叠方向上处于最外侧位置中的一个的第一电抗器中的一个，在朝向在层叠方向上处于最外侧位置的单电池中的另一个的方向上排列第一电抗器。在层叠方向上处于最外侧位置的单电池中的一个和在层叠方向上处于最外侧位置的第一功率模块中的一个可以位于与层叠方向垂直的相同平面上。第一功率模块在其中被排列的方向可以平行于层叠方向。可以从在层叠方向上处于最外侧位置中的一个的第一功率模块中的一个，在朝向在层叠方向上处于最外侧位置的单电池中的另一个的方向上排列第一功率模块。

在本发明的第二方面中，燃料电池可以在车辆的前后方向上与变换器相邻。

在本发明的第二方面中，燃料电池可以在车辆的车辆宽度方向上与变换器相邻。

本发明的第三方面可提供燃料电池单元。在本发明的第三方面中，变换器可以包括第二电抗器或第二功率模块中的至少任一个。当从第一电抗器中的一个观察时，第二电抗器可以处于对层叠方向倾斜的方向上。当从第一功率模块中的一个观察时，第二功率模块可以处于对层叠方向倾斜的方向上。

本发明的第三方面可以提供燃料电池单元。在根据第三方面的燃料电池单元中，在层叠方向上处于最外侧位置的单电池中的一个和在层叠方向上处于最外侧位置的第一电抗器中的一个可以位于与层叠方向垂直的相同平面中。第一电抗器在其中被排列的方向可以平行于层叠方向。可以从在层叠方向上处于最外侧位置中的一个的第一电抗器中的一个，在朝向在层叠方向上处于最外侧位置的单电池中的另一个的方向上排列第一电抗器。在层叠方向上处于最外侧位置的单电池中的一个和在层叠方向上处于最外侧位置的第一功率模块中的一个可以位于与层叠方向垂直的相同平面上。第一功率模块在其中被排列的方向可以平行于层叠方向。可以从在层叠方向上处于最外侧位置中的一个的第一功率模块中的一个，在朝向在层叠方向上处于最外侧位置的单电池中的另一个的方向上排列第一功率模块。

本发明的方面不限于燃料电池单元，并且本发明也可以被应用于各种方面，诸如作为其电力源被安装在使用电力的舰船上的燃料电池单元、家庭用的燃料电池单元等。此外，本发明不限于上述方面，并且显然在不偏离本发明的主旨的情况下，以各种方面执行本发明。

附图说明

下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相同附图标记指示相同元件，并且其中：

图1是根据本发明的实施例的燃料电池单元的布局结构的概念图；

图2是从z轴方向的负侧观察的燃料电池单元的解释图；

图3是从z轴方向的正侧观察的燃料电池单元的解释图；

图4是燃料电池单元的电路结构的解释图；

图5是当燃料电池单元的设计改变时的变化的解释图；

图6是示出具有根据第一实施例的燃料电池单元的车辆的构架的解释图；

图7是示出具有根据第一实施例的燃料电池单元的车辆的构架的解释图；

图8是根据另一实施例的燃料电池单元的布局结构的概念图；

图9是当根据另一实施例的燃料电池单元的设计改变时的变化的解释图；并且

图10是根据又一实施例的燃料电池单元的布局结构的概念图。

具体实施方式

a.第一实施例：图1是示出根据本发明的实施例的燃料电池单元100的布局结构的概念图。图1示出彼此正交地相交的xyz轴。在图1中的xyz轴对应于在其它图中的xyz轴。燃料电池单元100被安装成用于由电动机驱动的车辆的电力源。燃料电池单元100设置有燃料电池壳体200和变换器壳体300。

图2是从z轴方向的负侧观察的燃料电池单元100的解释图。燃料电池壳体200是相对于变换器壳体300被布置在z轴方向的负侧上的盒状构件。在该实施例中，燃料电池壳体200的尺寸小于变换器壳体300的尺寸。燃料电池210被容纳在燃料电池壳体200内部。

燃料电池210具有多个单电池220，所述多个单电池220使用反应气体的电化学反应而发电。随着在层叠方向d1中层叠的状态下将压缩载荷施加至单电池220，单电池220被紧固。在该实施例中，单电池220的层叠方向d1是x轴方向。在该实施例中，燃料电池210接收氢气和空气的供应，并且使用氢气和氧气之间的电化学反应而发电。

图3是从z轴方向的正侧观察的燃料电池单元100的解释图。变换器壳体300是被布置在相对于燃料电池壳体200的z轴方向的正侧上的盒状构件。多相变换器310被容纳在变换器壳体300内部。

多相变换器310调节并且输出从燃料电池210输入的电压。在该实施例中，多相变换器310将从燃料电池210输入的电压调节为适合电动机驱动的电压，并且输出该电压。多相变换器310包括处于四个相中的变换器，即u相变换器dc1、v相变换器dc2、w相变换器dc3和x相变换器dc4。u相变换器dc1、v相变换器dc2、w相变换器dc3和x相变换器dc4彼此并联地连接。

u相变换器dc1设置有电抗器l1、电流传感器i1和功率模块ipm1。

电抗器l1与燃料电池210电连接。电抗器l1由圆形芯部和缠绕在芯部的外周周围的线圈结构化。电抗器l1能够存储电力并且放出所存储的电力。电抗器l1的电力存储作用和电力放出作用被用于u相变换器dc1的升压操作和降压操作。

电流传感器i1被布置在电抗器l1和功率模块ipm1之间。电流传感器i1检测从电抗器l1流动至功率模块ipm1的电流。

图4是示出燃料电池单元100的电路结构的解释图。功率模块ipm1是多个半导体元件被并入其中的电路模块。功率模块ipm1具有开关元件sw1和二极管di1。

当从燃料电池210输入电压时，开关元件sw1通过执行周期性的开关控制而引起电抗器l1周期性地重复电力存储和放出。通过二极管di1输出由电抗器l1放出的电力。二极管di1是所谓的开关二极管。

u相变换器dc1通过调节开关元件sw1中的占空比(接通状态和断开状态之间的比例)而调节所输入的电压，并且输出该电压。

与u相变换器dc1类似地，v相变换器dc2、w相变换器dc3和x相变换器dc4分别包括相应的电抗器l2、l3、l4、电流传感器i2、i3、i4，以及功率模块ipm2、ipm3、ipm4。与功率模块ipm1类似地，功率模块ipm2、ipm3、ipm4分别包括相应的二极管di2、di3、di4和开关元件sw2、sw3、sw4。在下文解释中，参考符号“l”被共同用于电抗器，并且参考符号“ipm”被共同用于功率模块。

在该实施例中，功率模块ipm为双侧冷却型，其中半导体元件被从两侧冷却。在另一实施例中，功率模块ipm可以为单侧冷却型，其中半导体元件被从单侧表面冷却。

v相变换器dc2、w相变换器dc3和x相变换器dc4根据与u相变换器dc1的原理相同的原理调节和输出从燃料电池210输入的电压。开关元件sw1、sw2、sw3、sw4分别通过调节开关元件sw1、sw2、sw3、sw4中的占空比来执行开关控制，使得由电流传感器i1、i2、i3、i4测量的电流值变为相等。

返回参考图3，电抗器l和功率模块ipm被排列在大致与x轴方向平行的方向d2中。此外，在作为层叠方向d1的x轴方向上层叠燃料电池210中的单电池220。这意味着，在该实施例中，电抗器l在其中被排列的方向以及功率模块ipm在其中被排列的方向两者都为方向d2，并且大致平行于单电池220的层叠方向d1。在该实施例中，电抗器l的尺寸和功率模块ipm的尺寸两者都大大影响燃料电池单元100的设计。

在该实施例中，“与另一方向平行的方向”的意思是在比较中的两个方向之间的角度在5度的偏差的范围内，并且更优选地在3度的偏差的范围内。

根据至此所解释的实施例，在燃料电池单元100中，电抗器l和功率模块ipm在其中被排列的方向d2，以及单电池在其中被层叠的层叠方向d1彼此大致平行。因而，与其中电抗器和功率模块被排列的方向和单电池被层叠的层叠方向彼此大致正交地相交的形式相比，具有多个单电池220的燃料电池210的尺寸改变方向大致平行于电抗器l和功率模块ipm中的至少任一个的尺寸改变方向。因而，尺寸改变方向相同。因此，当设计具有根据电驱动车辆类型的输出性能的燃料电池单元100时，可能抑制燃料电池单元100的显著设计改变。这意味着抑制了由于电抗器l和功率模块ipm的数目以及单电池220的数目的调节导致的燃料电池单元100的设计改变变得复杂。此外，因为输出性能的增大和减小对应于燃料电池单元100的尺寸的增大和减小，可能根据输出性能的增大和减小以各种尺寸细致地产生燃料电池单元100。

例如，当人们尝试改变具有给定输出性能的燃料电池单元的设计，从而配合设置有较低输出性能的燃料电池单元的紧凑的电驱动的车辆时，有必要减少电抗器和功率模块的数目，以便降低输出性能，并且也有必要减少燃料电池单元的尺寸，以便安装在紧凑的电驱动的汽车上。然而，在其中电抗器和功率模块的排列方向以及单电池被层叠的层叠方向彼此大致正交地相交的形式中，仅减小电抗器和功率模块的数目不能实现燃料电池单元的尺寸减小。因此，为了减小燃料电池单元的尺寸，有必要做出燃料电池单元的设计的显著改变。同时，在根据第一实施例的燃料电池单元100中，具有多个单电池220的燃料电池210的尺寸改变方向和电抗器l与功率模块ipm的尺寸改变方向彼此大致平行，意味着尺寸改变方向相同。因而，当设计具有根据电驱动车辆类型的输出性能的燃料电池单元100时，可能抑制燃料电池单元100的设计的显著改变。

图5是示出当燃料电池单元100的设计变化时的变化的解释图。在图5的上部示出燃料电池单元100。在图5的下部示出作为设计改变之后的燃料电池单元100的燃料电池单元100a。在图5中，分别以参考符号指示多相变换器310的部件，以便简化附图。

燃料电池单元100a的输出性能低于燃料电池单元100的输出性能。通过从燃料电池单元100减小电抗器l和功率模块ipm的数目以及单电池220的数目而实现从燃料电池单元100至燃料电池单元100a的设计改变。在燃料电池单元100中，电抗器l和功率模块ipm在其中被排列的方向d2，以及单电池在其中被层叠的层叠方向d1彼此大致平行。因此，与其中电抗器l和功率模块ipm的排列方向与单电池200被层叠的层叠方向彼此大致正交地相交的形式相比，具有多个单电池220的燃料电池210的尺寸改变方向大致平行于电抗器l或者功率模块ipm中的至少任一个的尺寸改变方向，意味着尺寸改变方向相同。因而可能抑制燃料电池单元100的设计改变变得复杂。

b.第二实施例：图6是示出具有根据第一实施例的燃料电池单元100的车辆20的构架的解释图。车辆20是由电动机驱动的电驱动的车辆。车辆20的前部指向y轴方向的正侧。车辆20设置有座椅22、24、26和地板部28。

座椅22、24、26被结构化成允许乘客就座。座椅22在车辆20内位于x轴方向的正侧。座椅24在车辆20内位于x轴方向的负侧。座椅26相对于座椅22和座椅24位于y轴方向的负侧。地板部28相对于座椅22、24、26位于z轴方向的负侧，并且限定车辆20的车辆内部中的z轴方向的负侧。

燃料电池单元100将被安装的车辆20内的空间是相对于地板部28处于z轴方向的负侧上的车辆20的内部区域r1。

在燃料电池单元100中，电抗器l和功率模块ipm在其中被排列的方向d2，和单电池220在其中被层叠的层叠方向d1沿车辆20的车辆宽度方向彼此大致平行。因此，即使在车辆20具有在车辆宽度方向上相对地窄的内部区域r1的情况下，也可能通过改变燃料电池单元100的设计将燃料电池单元100安装在车辆20上。换言之，可能根据输出性能的增大和减少以各种尺寸设计燃料电池单元100，因而使得更易于处理车辆20的改型开发。

c.第三实施例：图7是示出具有根据第一实施例的燃料电池单元100的车辆30的构架的解释图。车辆30是由电动机驱动的电驱动的车辆。车辆30的前侧指向x轴方向的正侧。燃料电池单元100将被安装的车辆30内的空间是相对于车辆30的前侧上的罩32处于z轴方向的负侧上的车辆30的内部区域r2。

在燃料电池单元100中，电抗器l和功率模块ipm的排列方向d2和单电池220在其中被层叠的层叠方向d1沿车辆30的前后方向彼此大致平行。因此，即使在其中内部区域r2在前后方向上是相对地窄的车辆30的情况下，也可能通过改变燃料电池单元100的设计而将燃料电池单元100安装在车辆30上。换言之，可能根据输出性能的增大和减少以各种尺寸设计燃料电池单元100，因而使得更易于处理车辆30的改型开发。

d.第四实施例：图8是根据另一实施例的燃料电池单元100b的布局结构的概念图。除了燃料电池壳体200和变换器壳体300之间在z轴方向的位置关系不同之外，燃料电池单元100b具有与根据第一实施例的燃料电池单元100相同的结构。在燃料电池单元100b中，燃料电池壳体200被布置在相对于变换器壳体300的z轴方向的正侧上。

e.第五实施例：图9是当根据另一实施例的燃料电池单元100c的设计改变时的变化的解释图。在图9的上部示出燃料电池单元100c。在图9的下部示出作为在设计改变之后的燃料电池单元100c的燃料电池单元100d。

除了在燃料电池单元100中设置的四相变换器还设置变换器之外，燃料电池单元100c都与燃料电池单元100相同。设置在燃料电池单元100c中的另外的变换器包括电抗器l5和功率模块ipm5。在图9中，仅示出作为燃料电池单元100c和燃料电池单元100d内的变换器壳体300内部的部件的电抗器l和功率模块ipm，以便促进理解。而且，在图9中，仅分别由它们的参考符号示出电抗器l和功率模块ipm，以便简化附图。

在燃料电池单元100c中，电抗器l1、l2、l3、l4和功率模块ipm1、ipm2、ipm3、ipm4被排列在大致与x轴方向平行的方向d2中。电抗器l5被布置在相对于电抗器l4的y轴方向的正侧上。功率模块ipm5被布置在相对于功率模块ipm4的y轴方向的负侧上。

燃料电池单元100d的输出性能低于燃料电池单元100c的输出性能。在其中燃料电池单元100c的设计改变为具有较低输出性能的燃料电池单元100d的情况下，通过从燃料电池单元100c减小电抗器l1、l2、l3以及功率模块ipm1、ipm2、ipm3的数目以及单电池220的数目而实现设计改变。这意味着燃料电池210的尺寸改变方向与电抗器l和功率模块ipm的尺寸改变方向相同，因而可能抑制燃料电池单元100c的设计改变变得复杂。

f.a改进示例：在第一实施例中，燃料电池壳体200相对于变换器壳体300被布置在z轴方向的负侧上，但是本发明不限于此。例如，燃料电池壳体200和变换器壳体300可以被布置成在y轴方向上彼此邻接。

在第一实施例中，燃料电池壳体200的尺寸小于变换器壳体300的尺寸，但是本发明不限于此。例如，燃料电池壳体200的尺寸可以大于变换器壳体300的尺寸或者与其相同。

在第一实施例中，电抗器l和功率模块ipm在其中被排列的方向d2大致平行于单电池220的层叠方向d1，但是本发明不限于此。例如，如果电抗器l的尺寸大于功率模块ipm的尺寸，并且仅电抗器l的尺寸大大地影响燃料电池单元100的设计，则仅电抗器l的排列方向可以大致平行于单电池220的层叠方向d1。此外，如果功率模块ipm的尺寸大于电抗器l的尺寸，并且仅功率模块ipm的尺寸大大地影响燃料电池单元100的设计，则仅功率模块ipm的排列方向可以大致平行于单电池220的层叠方向。

在第一实施例中，电抗器l和功率模块ipm在其中排列的方向d2大致平行于单电池220的层叠方向d1，但是本发明不限于此。例如，电抗器l和功率模块ipm在其中排列的方向d2可以平行于单电池220的层叠方向d1。

在第五实施例中，一个电抗器l5被设置在从在方向d2中被排列的电抗器l1、l2、l3、l4在y轴方向上位移的位置处，并且一个功率模块ipm5被设置在从在方向d2中被排列的功率模块ipm1、ipm2、ipm3、ipm4在y轴方向上位移的位置处，但是本发明不限于此。例如，多个电抗器可以被设置在从在方向d2中被排列的电抗器l1、l2、l3、l4在y轴方向上位移的位置处，并且多个功率模块可以被设置在从在方向d2中被排列的功率模块ipm1、ipm2、ipm3、ipm4在y轴方向上位移的位置处。以这种形式，通过调节在方向d2中排列的电抗器l和功率模块ipm的数目而实现具有根据电驱动车辆类型的输出性能的燃料电池单元的设计改变。

例如，可以以下面的形式执行本发明。

燃料电池单元设置有：燃料电池主体，该燃料电池主体具有在给定方向上层叠的多个单电池；以及多相升压变换器，多相升压变换器被布置成沿给定方向平行于燃料电池主体，并且具有将从燃料电池主体输出的电压升压的多个变换器。多相升压变换器具有：多个电抗器，所述多个电抗器与燃料电池主体电连接并且彼此并联连接；以及多个开关元件，所述多个开关元件与电抗器对应地设置。多个电抗器和多个开关元件中的至少任一个被排列成大致平行于给定方向，并且排列中的第一电抗器或开关元件处于与被层叠的多个单电池中的第一单电池相同的位置。

图10是示出根据另一实施例的燃料电池单元100e的布局结构的概念图。除了多相变换器310被不同地布置之外，燃料电池单元100e都与燃料电池单元100相同。

在燃料电池单元100e中的多相变换器310被布置成使得在x轴方向上，电抗器l1在x轴方向的正侧上的端部与被层叠的单电池220在x轴方向的正侧上的端部的位置处于大致相同位置。在这里“大致相同位置”的意思不仅意味着电抗器l1在x轴方向的正侧上的端部和被层叠的单电池220在x轴方向的正侧上的端部在x轴方向上处于相同位置，而且也意味着在x轴方向上，电抗器l1在x轴方向的正侧上的端部位于被层叠的单电池220中的x轴方向的正侧上的第一单电池220在x轴方向上的长度范围内。

根据这种形式，电抗器l的端部和被层叠的单电池220的端部处于x轴方向的正侧上的大致相同位置，并且通过调节x轴方向的负侧上的电抗器l的数目和单电池220的数目而改变燃料电池单元100e的设计。因此，当设计具有根据电驱动车辆类型的输出性能的燃料电池单元100e时，可能减小燃料电池单元100e在x轴方向上的尺寸。

此外，在上述燃料电池单元100e中，在x轴方向上，电抗器l1在x轴方向上的正侧上的端部处于与被层叠的单电池220在x轴方向的正侧上的端部大致相同的位置处，但是本发明不限于此。例如，开关元件sw1在x轴方向的正侧上的端部，或者电抗器l1在x轴方向的正侧上的端部以及开关元件sw1在x轴方向的正侧上的端部可以被布置成处于与被层叠的单电池220在x轴方向的正侧上的端部大致相同的位置处。

本发明不限于上述实施例、示例和改进示例，并且在不偏离本发明的主旨的情况下以各种结构执行。例如，可以按需要替换和组合与本发明的摘要中所述的每种形式中的技术特征对应的实施例、示例和改进示例中的技术特征，以便解决前面所述的问题中的部分或者全部，或者实现上述效果中的部分或者全部。而且，除非在本说明书中被解释为要素，否则都可以适当地删除这些技术特征。